JP6176141B2 - Ｉｉｉ 族窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、III 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。ｐ型クラッド層における結晶性の向上を図ったIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものである。
III 族窒化物半導体の結晶を作製する方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、パルスドスパッタデポジション法（ＰＳＤ）、そして、液相エピタキシー法などがある。
これらのうち例えば、ＭＯＣＶＤ法により半導体層を成長させる場合には、ＭＯＣＶＤ炉の内部に種々のガスを供給して、その雰囲気の中で半導体層を成長させる。特許文献１には、窒素ガスの雰囲気と、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスの雰囲気とを、成長させる半導体層に応じて変える技術が開示されている（特許文献１の段落［０１０７］参照）。
ところで、III 族窒化物半導体層を成長させる際には、極性反転欠陥が生じることがある。極性反転欠陥とは、Ｇａ面の一部にＮ面が混合する欠陥である。そして、半導体層の成長方向に垂直な面における単位面積当たりの極性反転欠陥の数を極性反転欠陥密度という。極性反転欠陥密度が低いほど、半導体層の結晶性はよい。
この極性反転欠陥密度は、エピタキシャル成長するにしたがって増加する傾向にある。つまり、エピタキシャル成長の終期の極性反転欠陥密度は、エピタキシャル成長の初期の極性反転欠陥密度よりも高いのが一般的である。したがって、極性反転欠陥がエピタキシャル成長するにしたがって増加することを抑制することが好ましい。
また、水素ガスを含む雰囲気で半導体層を成長させると、半導体層によっては損傷を受ける。そこで、成長途中の半導体層の結晶性を劣化させることなく、極性反転欠陥密度の増加を抑制することが好ましい。
本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、極性反転欠陥密度の増加を抑制することを図ったIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することである。
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板の上にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を有する。ｐ型半導体層形成工程は、ｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程を有する。ｐ型クラッド層形成工程は、ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成するｐ型ＡｌＧａＮ層形成工程と、ｐ型ＡｌＧａＮ層形成工程の後に半導体層の成長を中断する第１の中断工程と、第１の中断工程の後にｐ型ＩｎＧａＮ層を形成するｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程と、ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程の後に半導体層の成長を中断する第２の中断工程と、を有する。そして、第１の中断工程では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを基板に供給する。水素ガスによりｐ型ＡｌＧａＮ層の表面の極性反転欠陥をエッチングする。ｐ型ＡｌＧａＮ層形成工程およびｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程および第２の中断工程では、水素ガスを基板に供給しないで窒素ガスを基板に供給する。
このIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、半導体層を成長させる原料ガスを供給している成長期間でなく、原料ガスのうちの少なくとも一部のガスの供給を停止する中断期間に、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを基板に供給する。水素ガスは、半導体層をエッチングすることができる。極性反転欠陥の箇所では、原子の結合が比較的弱い。そのため、エッチングを受けやすい。よって、第１のｐ型半導体層を成長させた後に、第１のｐ型半導体層の表面の極性反転欠陥を優先的にエッチングする。そのため、第１の中断期間の後には、第１のｐ型半導体層の上の極性反転欠陥がある程度減少している。したがって、このIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法により製造された半導体発光素子において、ｐ型半導体層の極性反転欠陥密度は、従来の半導体発光素子に比べて低い。
この製造方法では、半導体層を成長させる工程と、半導体層の成長を中断する工程とで、異なるキャリアガスを用いる。また、ｐ型ＩｎＧａＮ層を形成する前に、水素ガスを供給し、ｐ型半導体層の表面における極性反転欠陥を減少させる。そのため、ｐ型ＩｎＧａＮ層を損傷させるおそれがほとんどない。
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、第１の中断工程では、混合ガスにおける窒素ガスの体積と水素ガスの体積との和に対する水素ガスの体積の比を２０％以上１００％以下の範囲内とする。
本発明では、極性反転欠陥密度の増加を抑制することを図ったIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法が提供されている。
以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。
１．半導体発光素子
本実施形態に係る発光素子１００の概略構成を図１に示す。発光素子１００は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層Ｅｐ１を有する。
本実施形態に係る発光素子１００の概略構成を図１に示す。発光素子１００は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層Ｅｐ１を有する。
図１に示すように、発光素子１００は、基板１１０と、半導体層Ｅｐ１と、透明電極１９０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有している。ここで、半導体層Ｅｐ１は、低温バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ型静電耐圧層１４０と、ｎ型クラッド層１５０と、発光層１６０と、ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０と、を有している。ここで、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ型静電耐圧層１４０と、ｎ型クラッド層１５０とは、ｎ型半導体層である。ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０とは、ｐ型半導体層である。ｎ型半導体層およびｐ型半導体層は、ノンドープの半導体層を含んでいてもよい。また、発光素子１００は、半導体層Ｅｐ１等を保護する保護膜を有していてもよい。
低温バッファ層１２０は、基板１１０の主面の上に形成されている。低温バッファ層１２０は、例えば、ＡｌＮやＧａＮである。ｎ型コンタクト層１３０は、低温バッファ層１２０の上に形成されている。ｎ型コンタクト層１３０は、例えば、ｎ型ＧａＮである。ｎ型静電耐圧層１４０は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ型静電耐圧層１４０は、半導体層Ｅｐ１の静電破壊を防止するための層である。ｎ型静電耐圧層１４０は、例えば、ノンドープのＧａＮと、ｎ型ＧａＮと、を積層したものである。ｎ型クラッド層１５０は、ｎ型静電耐圧層１４０の上に形成されている。ｎ型クラッド層１５０は、発光層１６０に加わる応力を緩和するための歪緩和層である。ｎ型クラッド層１５０は、超格子構造を有する超格子層である。ｎ型クラッド層１５０は、例えば、ｎ型ＧａＮと、ＩｎＧａＮ層と、を積層したものである。
発光層１６０は、ｎ型クラッド層１５０の上に形成されている。発光層１６０は、正孔と電子とが再結合することにより発光する層である。ｐ型クラッド層１７０は、発光層１６０の上に形成されている。ｐ型クラッド層１７０は、超格子構造を有する超格子層である。ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ型クラッド層１７０の上に形成されている。
透明電極１９０は、ｐ型コンタクト層１８０の上に形成されている。透明電極１９０の材質は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＣＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＮｂＴｉＯ2 、ＴａＴｉＯ2 、ＳｎＯ2 のいずれかであるとよい。。
ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の側から、Ｎｉ、Ａｕを順に形成したものである。また、Ｖ、ＡｌまたはＴｉ、Ａｌを順に形成してもよい。ｐ電極Ｐ１は、透明電極１９０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、透明電極１９０の側から、Ｎｉ、Ａｕを順に形成したものである。
２．ｐ型クラッド層周辺の積層構造
２−１．発光層
図２は、発光層１６０およびｐ型クラッド層１７０の周辺の積層構造を示す概略構成図である。発光層１６０は、電子と正孔とが再結合することで、光を発する層である。発光層１６０は、単位積層構造を繰り返し積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）である。ここで、単位積層構造は、ＩｎＧａＮ層１６１と、ＧａＮ層１６２と、ＡｌＧａＮ層１６３とを、下層からこの順序で積層したものである。この単位積層構造の繰り返し回数は、例えば、９回である。この繰り返し回数は、５回以上１２回以下の範囲内で変えてもよい。もちろん、これ以外の回数を用いてもよい。また、単位積層構造における各層の積層順序を変えてもよい。単位積層構造自体も、上記のものとは異なるも単位積層構造を用いることができる。その際に、ＧａＮと、ＩｎＧａＮと、ＡｌＧａＮと、ＡｌＩｎＧａＮとを、自由に組み合わせてよい。
２−１．発光層
図２は、発光層１６０およびｐ型クラッド層１７０の周辺の積層構造を示す概略構成図である。発光層１６０は、電子と正孔とが再結合することで、光を発する層である。発光層１６０は、単位積層構造を繰り返し積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）である。ここで、単位積層構造は、ＩｎＧａＮ層１６１と、ＧａＮ層１６２と、ＡｌＧａＮ層１６３とを、下層からこの順序で積層したものである。この単位積層構造の繰り返し回数は、例えば、９回である。この繰り返し回数は、５回以上１２回以下の範囲内で変えてもよい。もちろん、これ以外の回数を用いてもよい。また、単位積層構造における各層の積層順序を変えてもよい。単位積層構造自体も、上記のものとは異なるも単位積層構造を用いることができる。その際に、ＧａＮと、ＩｎＧａＮと、ＡｌＧａＮと、ＡｌＩｎＧａＮとを、自由に組み合わせてよい。
２−２．ｐ型クラッド層
ｐ型クラッド層１７０は、発光層１６０の上に形成されている。ｐ型クラッド層１７０は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１と、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２と、を繰り返し積層して形成したものである。繰り返し回数は、例えば、５回である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１のＡｌ組成比は、１０％以上４０％以下の範囲内である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の厚みは、５Å以上７０Å以下の範囲内である。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２のＩｎ組成比は、２％以上２０％以下の範囲内である。ただし、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２のＩｎ組成比は、発光層１６０のＩｎＧａＮ層１６１のＩｎ組成比よりも小さい。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２の厚みは、５Å以上７０Å以下の範囲内である。これらの数値は、あくまで例示である。したがって、これ以外の数値であってもよい。また、異なる構成であってもよい。
ｐ型クラッド層１７０は、発光層１６０の上に形成されている。ｐ型クラッド層１７０は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１と、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２と、を繰り返し積層して形成したものである。繰り返し回数は、例えば、５回である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１のＡｌ組成比は、１０％以上４０％以下の範囲内である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の厚みは、５Å以上７０Å以下の範囲内である。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２のＩｎ組成比は、２％以上２０％以下の範囲内である。ただし、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２のＩｎ組成比は、発光層１６０のＩｎＧａＮ層１６１のＩｎ組成比よりも小さい。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２の厚みは、５Å以上７０Å以下の範囲内である。これらの数値は、あくまで例示である。したがって、これ以外の数値であってもよい。また、異なる構成であってもよい。
２−３．ｐ型コンタクト層
ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ型クラッド層１７０の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１８０は、例えば、ｐ型ＧａＮである。ｐ型コンタクト層１８０は、キャリア濃度の異なる２層を有する２層構造であってもよい。
ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ型クラッド層１７０の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１８０は、例えば、ｐ型ＧａＮである。ｐ型コンタクト層１８０は、キャリア濃度の異なる２層を有する２層構造であってもよい。
３．ｐ型クラッド層の製造工程
３−１．製造工程
ここで、ｐ型クラッド層１７０の製造工程について、説明する。図３は、ｐ型クラッド層１７０の製造工程を示す概念図である。図３に示すように、ｐ型クラッド層１７０の製造工程は、第１のｐ型半導体層形成工程と、第１の中断工程と、ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程と、第２の中断工程と、を有する。
３−１．製造工程
ここで、ｐ型クラッド層１７０の製造工程について、説明する。図３は、ｐ型クラッド層１７０の製造工程を示す概念図である。図３に示すように、ｐ型クラッド層１７０の製造工程は、第１のｐ型半導体層形成工程と、第１の中断工程と、ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程と、第２の中断工程と、を有する。
第１のｐ型半導体層形成工程では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１を形成する。第１の中断工程では、第１のｐ型半導体層形成工程の後に、半導体層の成長を中断する。ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程では、第１の中断工程の後に、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２を形成する。第２の中断工程では、ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程の後に、半導体層の成長を中断する。そして、第２の中断工程の後に、第１のｐ型半導体層形成工程を実施することにより、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１と、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２と、を繰り返し積層する。
図３には、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１を形成する第１の成膜期間Ｔ１と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１を形成後に成膜を中断する第１の中断期間Ｔ２と、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２を形成する第２の成膜期間Ｔ３と、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２を形成後に成膜を中断する第２の中断期間Ｔ４と、が示されている。第１の中断期間Ｔ２は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の形成を終了してからｐ型ＩｎＧａＮ層１７２の形成を開始するまでの期間である。第２の中断期間Ｔ４は、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２の形成を終了してからｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の形成を開始するまでの期間である。
図３に示すように、第１の成膜期間Ｔ１では、ＭＯＣＶＤ炉の内部に水素ガスを供給しないで、窒素ガスを供給する。これにより、水素ガスを基板１１０に供給しないで窒素ガスを基板１１０に供給することとなる。第１の成膜期間Ｔ１における基板温度は、８００℃以上１０５０℃以下の範囲内である。
第１の中断期間Ｔ２では、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。この混合ガスについては、後述する。第１の中断期間Ｔ２では、基板温度を第１の成膜期間Ｔ１の基板温度から第２の成膜期間Ｔ２の基板温度まで下げる。したがって、第１の中断期間Ｔ２では、基板温度を下降させつつ、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。
第２の成膜期間Ｔ３では、水素ガスを基板１１０に供給しないで窒素ガスを基板１１０に供給する。第２の成膜期間Ｔ３における基板温度は、７００℃以上９５０℃以下の範囲内である。
第２の中断期間Ｔ４では、水素ガスを基板１１０に供給しないで窒素ガスを基板１１０に供給する。第２の中断期間Ｔ４では、基板温度を第２の成膜期間Ｔ３の基板温度から第１の成膜期間Ｔ１の基板温度まで上昇させる。
３−２．第１の中断工程における混合ガス
第１の中断工程では、混合ガスにおける窒素ガスの体積と水素ガスの体積との和に対する水素ガスの体積の比（以下、「水素ガスの混合比」という）Ｘを２０％以上１００％以下の範囲内とする。ここで、水素ガスの混合比Ｘは、以下の式を満たす。
Ｘ ＝ ＶＨ2 ／（ＶＨ2 ＋ＶＮ2 ）
ＶＨ2 ：水素ガスの体積
ＶＮ2 ：窒素ガスの体積
なお、好ましくは、水素ガスの混合比Ｘは、４０％以上９５％以下である。より好ましくは、水素ガスの混合比Ｘは、５０％以上８０％以下である。これらの数値範囲については、後述する。
第１の中断工程では、混合ガスにおける窒素ガスの体積と水素ガスの体積との和に対する水素ガスの体積の比（以下、「水素ガスの混合比」という）Ｘを２０％以上１００％以下の範囲内とする。ここで、水素ガスの混合比Ｘは、以下の式を満たす。
Ｘ ＝ ＶＨ2 ／（ＶＨ2 ＋ＶＮ2 ）
ＶＨ2 ：水素ガスの体積
ＶＮ2 ：窒素ガスの体積
なお、好ましくは、水素ガスの混合比Ｘは、４０％以上９５％以下である。より好ましくは、水素ガスの混合比Ｘは、５０％以上８０％以下である。これらの数値範囲については、後述する。
３−３．極性反転欠陥密度
半導体層をＧａ面側にエピタキシャル成長させる際に、III 族元素面の一部にＮ面が混合することがある。このように、Ｎ面が混合した箇所を極性反転欠陥といい、単位面積当たりの極性反転欠陥の数を極性反転欠陥密度という。この極性反転欠陥密度は、エピタキシャル成長するにしたがって増加する傾向にある。つまり、エピタキシャル成長の終期の極性反転欠陥密度は、エピタキシャル成長の初期の極性反転欠陥密度よりも高いのが一般的である。
半導体層をＧａ面側にエピタキシャル成長させる際に、III 族元素面の一部にＮ面が混合することがある。このように、Ｎ面が混合した箇所を極性反転欠陥といい、単位面積当たりの極性反転欠陥の数を極性反転欠陥密度という。この極性反転欠陥密度は、エピタキシャル成長するにしたがって増加する傾向にある。つまり、エピタキシャル成長の終期の極性反転欠陥密度は、エピタキシャル成長の初期の極性反転欠陥密度よりも高いのが一般的である。
本実施形態では、第１の中断期間Ｔ２に、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスをエピタキシャル成長層に供給する。水素ガスは、エピタキシャル成長層の表面をエッチングする。ここで、極性反転欠陥は、欠陥のない箇所に比べてエッチングを受けやすい。つまり、この製造方法は、極性反転欠陥を優先的にエッチングする。
本実施形態では、第２の中断期間Ｔ４に、水素ガスを供給しない。そのため、水素ガスがｐ型クラッド層１７０のｐ型ＩｎＧａＮ層１７２をエッチングするおそれがほとんどない。そのため、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２の表面に損傷を与えるおそれがない。
このように、本実施形態の製造方法では、ｐ型クラッド層１７０のｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の表面から、極性反転欠陥を優先的にエッチングする。これにより、極性反転密度の上昇を抑制することができる。そして、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２を形成する前に、水素ガスの供給を停止する。そのため、水素ガスがｐ型クラッド層１７０のｐ型ＩｎＧａＮ層１７２に損傷を与えるおそれはない。
４．半導体発光素子の製造方法
続いて、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、基板の上にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を有する。
続いて、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、基板の上にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を有する。
ここでは、基板１１０の上に半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。そのエピタキシャル成長の方法として、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いる。ここで用いるキャリアガスは、水素ガス（Ｈ2 ）もしくは窒素ガス（Ｎ2 ）もしくは水素ガスと窒素ガスとの混合ガス（Ｈ2 ＋Ｎ2 ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を用いることができる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ：以下、「ＴＭＧ」という。）を用いることができる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ：以下、「ＴＭＩ」という。）を用いることができる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ：以下、「ＴＭＡ」という。）を用いることができる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）を用いることができる。ｐ型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ：以下、「ＣＰ2 Ｍｇ」という。）を用いることができる。
４−１．ｎ型半導体層形成工程
４−１−１．ｎ型コンタクト層形成工程
まず、基板１１０の上に低温バッファ層１２０を形成する。そして、低温バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。基板温度は、例えば、１０８０℃以上１１４０℃以下である。
４−１−１．ｎ型コンタクト層形成工程
まず、基板１１０の上に低温バッファ層１２０を形成する。そして、低温バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。基板温度は、例えば、１０８０℃以上１１４０℃以下である。
４−１−２．ｎ型静電耐圧層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層１３０の上にｎ型静電耐圧層１４０を形成する。基板温度は、例えば、７５０℃以上９５０℃以下である。
次に、ｎ型コンタクト層１３０の上にｎ型静電耐圧層１４０を形成する。基板温度は、例えば、７５０℃以上９５０℃以下である。
４−１−３．ｎ型クラッド層形成工程
次に、ｎ型静電耐圧層１４０の上にｎ型クラッド層１５０を形成する。基板温度は、例えば、７００℃以上９５０℃以下である。
次に、ｎ型静電耐圧層１４０の上にｎ型クラッド層１５０を形成する。基板温度は、例えば、７００℃以上９５０℃以下である。
４−２．発光層形成工程
続いて、ｎ型クラッド層１５０の上に発光層１６０を形成する。そのために、単位積層構造を繰り返し形成する。その繰り返し回数は、前述のとおりである。単位積層構造を、ＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層とを、下層からこの順序で積層する。ＩｎＧａＮ層を、成長温度７５０℃以上８００℃以下の範囲内の温度で成長させる。そのために、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給する。ＡｌＧａＮ層を、成長温度８５０℃以上９５０℃以下の範囲内の温度で成長させる。そのために、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給する。
続いて、ｎ型クラッド層１５０の上に発光層１６０を形成する。そのために、単位積層構造を繰り返し形成する。その繰り返し回数は、前述のとおりである。単位積層構造を、ＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層とを、下層からこの順序で積層する。ＩｎＧａＮ層を、成長温度７５０℃以上８００℃以下の範囲内の温度で成長させる。そのために、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給する。ＡｌＧａＮ層を、成長温度８５０℃以上９５０℃以下の範囲内の温度で成長させる。そのために、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給する。
４−３．ｐ型半導体層形成工程
４−３−１．ｐ型クラッド層形成工程
次に、発光層１６０の上にｐ型クラッド層１７０を形成する。前述したように、第１のｐ型半導体層形成工程と、第１の中断工程と、ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程と、第２の中断工程と、を実施する。第１のｐ型半導体層形成工程では、ＣＰ2 Ｍｇ、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給することにより、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１を形成する。
４−３−１．ｐ型クラッド層形成工程
次に、発光層１６０の上にｐ型クラッド層１７０を形成する。前述したように、第１のｐ型半導体層形成工程と、第１の中断工程と、ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程と、第２の中断工程と、を実施する。第１のｐ型半導体層形成工程では、ＣＰ2 Ｍｇ、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給することにより、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１を形成する。
第１の中断工程では、基板温度を下降させつつ、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを基板１１０に供給する。すなわち、第１の中断工程の開始時に水素ガスの供給を開始し、第１の中断工程の終了時に水素ガスの供給を停止する。それとともに、第１の中断工程の期間内には、基板温度を下降させる。このように、第１の中断工程の第１の中断期間Ｔ２では、基板温度を下降させながら、水素ガスを供給することとなる。
ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程では、ＣＰ2 Ｍｇ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを供給することにより、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７２を形成する。第２の中断工程では、基板温度を上昇させつつ、窒素ガスを基板１１０に供給する。
４−３−２．ｐ型コンタクト層形成工程
続いて、ｐ型クラッド層１７０の上にｐ型コンタクト層１８０を形成する。基板温度は、例えば、９００℃以上１０５０℃以下である。ｐ型コンタクト層１８０を形成した後の様子を図４に示す。
続いて、ｐ型クラッド層１７０の上にｐ型コンタクト層１８０を形成する。基板温度は、例えば、９００℃以上１０５０℃以下である。ｐ型コンタクト層１８０を形成した後の様子を図４に示す。
４−４．透明電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１８０の上に透明電極１９０を形成する。そのために、スパッタリング等を用いればよい。透明電極１９０を形成する領域は、ｎ電極Ｎ１を形成する領域を除いた領域である。
次に、ｐ型コンタクト層１８０の上に透明電極１９０を形成する。そのために、スパッタリング等を用いればよい。透明電極１９０を形成する領域は、ｎ電極Ｎ１を形成する領域を除いた領域である。
４−５．電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１８０の表面側からドライエッチングを行って、ｎ型コンタクト層１３０の途中まで達する溝を形成する。これにより、図５に示すように、ｎ型コンタクト層１３０の一部を露出させる。そして、露出させたｎ型コンタクト層１３０の上にｎ電極Ｎ１を形成する。また、透明電極１９０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。
次に、ｐ型コンタクト層１８０の表面側からドライエッチングを行って、ｎ型コンタクト層１３０の途中まで達する溝を形成する。これにより、図５に示すように、ｎ型コンタクト層１３０の一部を露出させる。そして、露出させたｎ型コンタクト層１３０の上にｎ電極Ｎ１を形成する。また、透明電極１９０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。
４−６．素子分離工程
次に、半導体層および電極を形成した基板１１０を素子に分割する。そのために、レーザー装置や、ブレーキング装置を用いればよい。
次に、半導体層および電極を形成した基板１１０を素子に分割する。そのために、レーザー装置や、ブレーキング装置を用いればよい。
４−７．その他の工程
また、上記の他に、保護膜を形成する保護膜形成工程と、半導体層に熱処理を施す熱処理工程と、その他の工程と、を実施してもよい。以上により、図１に示した発光素子１００が製造される。
また、上記の他に、保護膜を形成する保護膜形成工程と、半導体層に熱処理を施す熱処理工程と、その他の工程と、を実施してもよい。以上により、図１に示した発光素子１００が製造される。
５．実験
５−１．極性反転欠陥密度
ここで、ｐ型クラッド層１７０について実施した実験について説明する。本実験では、ｐ型クラッド層形成工程の第１の中断工程において、水素ガスの混合比Ｘを変えてｐ型クラッド層１７０を形成した。そして、極性反転欠陥密度を測定した。ここで、極性反転欠陥密度を測定した箇所は、ｐ型クラッド層１７０とｐ型コンタクト層１８０との境界面の位置である。また、発光素子１００を作製して駆動電圧を測定した。
５−１．極性反転欠陥密度
ここで、ｐ型クラッド層１７０について実施した実験について説明する。本実験では、ｐ型クラッド層形成工程の第１の中断工程において、水素ガスの混合比Ｘを変えてｐ型クラッド層１７０を形成した。そして、極性反転欠陥密度を測定した。ここで、極性反転欠陥密度を測定した箇所は、ｐ型クラッド層１７０とｐ型コンタクト層１８０との境界面の位置である。また、発光素子１００を作製して駆動電圧を測定した。
図６は、水素ガスの混合比Ｘを変えた場合における極性反転欠陥密度を示すグラフである。図６の横軸は、水素ガスの混合比Ｘである。図６の縦軸は、極性反転欠陥密度である。図６に示すように、第１の中断期間Ｔ２に水素ガスを混合させた場合では、極性反転欠陥密度は比較的低い。
水素ガスの混合比Ｘが２０％以上１００％以下の場合（図６の矢印Ｌ１）に、極性反転欠陥密度は、１．２×１０9 ｃｍ-2以下である。水素ガスの混合比Ｘが４０％以上９５％以下の場合（図６の矢印Ｌ２）に、極性反転欠陥密度は、９．０×１０8 ｃｍ-2以下である。水素ガスの混合比Ｘが５０％以上８０％以下の場合（図６の矢印Ｌ３）に、極性反転欠陥密度は、８．０×１０8 ｃｍ-2以下である。
このように、混合ガスにける水素ガスの混合比Ｘは、２０％以上１００％以下であるとよい。好ましくは、水素ガスの混合比Ｘは、４０％以上９５％以下である。さらに好ましくは、水素ガスの混合比Ｘは、５０％以上８０％以下である。
５−２．駆動電圧
ここでは、ｐ型クラッド層形成工程の第１の中断工程において、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いた発光素子（実施例）と、水素ガスを用いずに窒素ガスを用いた発光素子（比較例）と、を作製した。そして、両者の駆動電圧を比較した。
ここでは、ｐ型クラッド層形成工程の第１の中断工程において、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いた発光素子（実施例）と、水素ガスを用いずに窒素ガスを用いた発光素子（比較例）と、を作製した。そして、両者の駆動電圧を比較した。
図７は、駆動電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆとの関係を示すグラフである。図７に示すように、窒素ガスを用いた発光素子（比較例）より窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いた発光素子（実施例）のほうが、駆動電圧が低い。
また、表１に示すように、順方向電流Ｉｆが１０００ｍＡのときに、水素ガスを含む混合ガスを用いて製造した発光素子の場合では、駆動電圧が４．０８Ｖである。順方向電流Ｉｆが１０００ｍＡのときに、水素ガスを供給しないで製造した発光素子の場合では、駆動電圧が４．１３Ｖである。そして、順方向電流Ｉｆが２０００ｍＡのときに、水素ガスを含む混合ガスを用いて製造した発光素子の場合では、駆動電圧が４．８７Ｖである。順方向電流Ｉｆが２０００ｍＡのときに、水素ガスを供給しないで製造した発光素子の場合では、駆動電圧が４．９３Ｖである。
［表１］
Ｉｆ Ｖｆ（水素ガス無し） Ｖｆ（水素ガス有り）
１０００ｍＡ ４．１３Ｖ ４．０８Ｖ
２０００ｍＡ ４．９３Ｖ ４．８７Ｖ
Ｉｆ Ｖｆ（水素ガス無し） Ｖｆ（水素ガス有り）
１０００ｍＡ ４．１３Ｖ ４．０８Ｖ
２０００ｍＡ ４．９３Ｖ ４．８７Ｖ
このように、第１の中断期間Ｔ２の間に、窒素ガスと水素ガスとの混合気体を供給することにより、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の極性反転欠陥密度を減少させることができる。そのため、それ以降に成長させる半導体層における極性反転欠陥密度は、従来の半導体発光素子に比べて低い。そのため、本実施形態の発光素子１００の駆動電圧Ｖｆは低い。
６．変形例
６−１．ｐ型クラッド層
本実施形態では、ｐ型クラッド層１７０にｐ型ＡｌＧａＮ層１７１を用いることとした。しかし、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の代わりに、ｐ型ＧａＮ層を形成することとしてもよい。
６−１．ｐ型クラッド層
本実施形態では、ｐ型クラッド層１７０にｐ型ＡｌＧａＮ層１７１を用いることとした。しかし、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の代わりに、ｐ型ＧａＮ層を形成することとしてもよい。
６−２．ｐ型クラッド層の形成順序
また、本実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１を形成してからｐ型ＩｎＧａＮ層１７２を形成することとした。しかし、ｐ型ＩｎＧａＮ層から先に形成することとしてもよい。その場合であっても、ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成した後の中断期間に、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを供給すればよい。
また、本実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１を形成してからｐ型ＩｎＧａＮ層１７２を形成することとした。しかし、ｐ型ＩｎＧａＮ層から先に形成することとしてもよい。その場合であっても、ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成した後の中断期間に、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを供給すればよい。
６−３．混合ガス
なお、ｐ型クラッド層形成工程の第１の中断工程で供給する混合ガス以外に、アンモニア等のガスを供給してもよい。
なお、ｐ型クラッド層形成工程の第１の中断工程で供給する混合ガス以外に、アンモニア等のガスを供給してもよい。
６−４．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
７．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法では、ｐ型クラッド層形成工程の第１の中断工程Ｔ２で水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを供給することとした。そのため、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の表面の極性反転欠陥を減少させることができる。これにより、駆動電圧Ｖｆの低い発光素子１００が実現されている。
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法では、ｐ型クラッド層形成工程の第１の中断工程Ｔ２で水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを供給することとした。そのため、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７１の表面の極性反転欠陥を減少させることができる。これにより、駆動電圧Ｖｆの低い発光素子１００が実現されている。
なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。本実施形態では、エピタキシャル成長の方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いることとした。しかし、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法を用いてもよい。
８．付記
第１の中断工程では、基板温度を下降させつつ、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを供給する。また、第１の中断工程の開始時に水素ガスの供給を開始し、第１の中断工程の終了時に水素ガスの供給を停止する。
第１の中断工程では、基板温度を下降させつつ、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを供給する。また、第１の中断工程の開始時に水素ガスの供給を開始し、第１の中断工程の終了時に水素ガスの供給を停止する。
１００…発光素子
１１０…基板
１２０…低温バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０…ｎ型静電耐圧層
１５０…ｎ型クラッド層
１６０…発光層
１６１…ＩｎＧａＮ層
１６２…ＧａＮ層
１６３…ＡｌＧａＮ層
１７０…ｐ型クラッド層
１７１…ｐ型ＡｌＧａＮ層
１７２…ｐ型ＩｎＧａＮ層
１８０…ｐ型コンタクト層
１９０…透明電極
Ｅｐ１…半導体層
Ｐ１…ｐ電極
Ｎ１…ｎ電極
１１０…基板
１２０…低温バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０…ｎ型静電耐圧層
１５０…ｎ型クラッド層
１６０…発光層
１６１…ＩｎＧａＮ層
１６２…ＧａＮ層
１６３…ＡｌＧａＮ層
１７０…ｐ型クラッド層
１７１…ｐ型ＡｌＧａＮ層
１７２…ｐ型ＩｎＧａＮ層
１８０…ｐ型コンタクト層
１９０…透明電極
Ｅｐ１…半導体層
Ｐ１…ｐ電極
Ｎ１…ｎ電極
Claims (2)
- 基板の上にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、
前記ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、
前記発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型半導体層形成工程は、
ｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程を有し、
前記ｐ型クラッド層形成工程は、
ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成するｐ型ＡｌＧａＮ層形成工程と、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層形成工程の後に半導体層の成長を中断する第１の中断工程と、
前記第１の中断工程の後にｐ型ＩｎＧａＮ層を形成するｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程と、
前記ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程の後に半導体層の成長を中断する第２の中断工程と、
を有し、
前記第１の中断工程では、
窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを前記基板に供給し、
前記水素ガスにより前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の表面の極性反転欠陥をエッチングし、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層形成工程および前記ｐ型ＩｎＧａＮ層形成工程および前記第２の中断工程では、
水素ガスを前記基板に供給しないで窒素ガスを前記基板に供給すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記第１の中断工程では、
前記混合ガスにおける窒素ガスの体積と水素ガスの体積との和に対する水素ガスの体積の比を２０％以上１００％以下の範囲内とすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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